설계 및 효율적인 넓은 범위 가변 MEMS 필터 특성 방법론
Summary
레이저 도플러 신발 (LDV), 튜닝, 튜닝 기능, 및 장치 실패 및 stiction, 회피의 수정 하는 주파수 측정을 포함 하 여를 사용 하는 고정-고정 빔 디자인에 대 한 프로토콜 제공 됩니다. 네트워크 분석기를 통해 LDV 방법의 우수성 때문에 그것의 더 높은 모드 기능 시연입니다.
Abstract
여기, 우리 기술을 응용 프로그램 기반 microelectromechanical 시스템 (MEMS) 필터를 만들고 (효율적으로 사용 하는 방법 뿐만 아니라 기존의 기법 (네트워크 분석기), 레이저 도플러 신발 (LDV)의 장점 설명 즉, 조정 기능을 조정 하 고 실패와 stiction 피하). LDV 높은 모드 감지 (고감도 바이오 센서 응용 프로그램) 및 공명 측정 아주 작은 장치 (빠른 프로토타입) 같은 네트워크 분석기와 가능 하지 않은 중요 한 측정을 수 있습니다. 따라서, LDV 특성 주파수 튜닝 범위와 공 진 주파수가이 연구에 대 한 내장 된 MEMS 필터의 다른 모드에서 사용 되었다. 이 광범위 한 주파수 튜닝 메커니즘은 줄 포함된 히터 및 고정-고정 빔의 온도 대해 상대적으로 높은 열 스트레스에서 난방 단순히을 기반으로 합니다. 그러나,이 방법의 또 다른 한계는 결과 높은 열 스트레스, 장치를 구울 수 있는 설명 합니다. 추가 개선 달성 되었고이 연구에서 처음으로 표시 되도록 튜닝 기능이 적용 된 DC 바이어스 전압 (35 V 25 V) 두 개의 인접 한 광선 사이의 증가 통해 32%로 증가 했다. 이 중요 한 찾는 넓은 주파수 튜닝 범위에서가 열 하는 여분의 줄에 대 한 필요가 없습니다. 다른 가능한 실패는 stiction 그리고 구조 최적화의 요구 사항을 통해: 저주파 구형 파 신호 응용 프로그램을 성공적으로 광선을 구분할 수 더 필요의 간단 하 고 쉽게 기술 제안 문학에서 정교 하 고 복잡 한 방법입니다. 위의 결과 디자인 방법론을 할 거 고 그래서 우리는 또한 응용 프로그램 기반 디자인을 제공.
Introduction
그들의 높은 신뢰성, 저전력 소비, 소형 디자인, 높은 품질 계수, 및 낮은 비용으로 인해 MEMS 필터에 대 한 수요에 있다. 센서와 무선 통신의 핵심 부품으로 널리 사용 됩니다. 온도 센서1, 바이오 센서2,3,4가스 센서, 필터5,,67및 발진기는 가장 인기 있는 응용 분야. 가장 인기 있는 정전기 MEMS 필터는 고정-고정 빔5,8, 외팔보2, 튜닝 포크6, 무료 무료 빔6,7, 굴곡 디스크 디자인7, 그리고 사각형 모양 디자인9.
디자인 방법론 (응용 프로그램 기반 구조를 최적화, 광범위 주파수 튜닝 범위, 및 오류 방지) 및 특성 (빠른 프로토 타이핑, 피 기생 같은 MEMS 필터 실현에 많은 중요 한 단계는 커패시턴스, 그리고 감지 높은 모드)입니다. 주파수 튜닝 기능 제작 공차 또는 온도 변화 주파수 변경에 대 한 보상 필요 합니다. 다른 기술을10,,1112 ;이 요구 사항을 처리 하는 문학에서 보고 되었습니다. 그러나, 그들은 제한 된 주파수 튜닝 기능, 낮은 중심 주파수, 추가 후 처리 요구 사항 및 외부 히터10,11같은 몇 가지 단점이 있다.
선물이 광범위 주파수 튜닝은 줄에 의해 제한 된 주파수 범위는 탄성 계수를 통해 튜닝 방법5,13 난방이 연구에서 변경12 (2 개의 인접 한 광선 사이의 DC 바이어스 전압을 증가)와 자료 단계 전환 방법10,11. 또한, 최적의 구조 선택 하 고 응용 프로그램 기반 디자인 Göktaş와 Zaghloul의13에 요약 했다. 여기, 우리는 LDV의 도움으로 내장된 히터에 적용 되는 DC 전압을 증가 하 여 고정-고정 빔의 공명 주파수를 조정 하는 방법을 보여 줍니다. 유한 요소 해석 (FEM) 시뮬레이션 시각화 튜닝 메커니즘을 위해 동일한 프레임에 LDV 측정으로 동기화 됩니다. 난방과 빔을 통해 프로필 굽 힘 줄 포함 됩니다.
우리는 또한 (점화 장치 및 stiction) 오류 및 제안된 솔루션 제시. 줄 난방 방법 고정-고정 빔의 높은 열 스트레스와 함께에서 다양 한 주파수 튜닝 제공 하지만 동시에 탄된 장치는 특정 온도 수준에서 발생할 수 있습니다. 이것은 다른 재료14사이 높은 열 스트레스에 기인 합니다. 솔루션 차례로 튜닝 범위 (32%), 증가 하 고 높은 온도 대 한 필요성을 제거 하는 두 개의 인접 한 광선 사이의 DC 전압을 증가 하는. 이 “튜닝 튜닝 범위” 방법은 먼저 Göktaş 및 Zaghloul5에서, Göktaş 및 Zaghloul13, 좀 더 자세하게에서 설명 이었고 다시 여기에 제시. 다른 한편으로, Stiction, 제조 과정 또는 공명 작업 동안 자리를 차지할 수 있습니다. 접착 에너지15,16, 증가 표면 거칠기17, 그리고18레이저 수리 과정 줄이기 위해 표면 코팅을 적용 하는 등이 문제를 해결 하기 위해 제안 된 많은 기술이 있다. 대조적으로, 선물이 간단한 기술은 저주파 구형 파 신호는 두 개의 연결 된 광선 사이 적용 된 장소와 분리 LDV에 의해 성공적으로 기록 되었다. 이 메서드는 제거할 수 있는 추가 비용과 디자인 복잡성 감소.
최첨단 MEMS 필터에 또 다른 중요 한 단계는 특성화 및 검증. 네트워크 분석기와 특성화는 가장 인기 있고 널리 사용 방법; 그러나, 그것은 몇 가지 단점이 있다. 심지어 작은 기생 커패시턴스는 신호를 죽 일 수 있다 그래서이 일반적으로 잡음 제거를 위한 증폭기 회로3,,68 을 요구 하 고 그것은 단지 첫 번째 모드 공명을 검색할 수 있습니다. 다른 한편으로, LDV로 특성화는이 기생 커패시턴스 문제에서 무료 이며 많은 작은 변위를 검색할 수 있습니다. 빠른 프로토 타이핑을, 앰프 설계에 대 한 필요성을 제거 하는 동안 수 있습니다. 또한, LDV 높은 모드 공명 MEMS 필터를 검색할 수 있습니다. 이 기능은 매우 유망, 특히 고감도 바이오 센서 분야에서에서. 더 높은 외팔보 모드는 훨씬 더 감도19를 제공할 수 있습니다. LDV로 고정-고정 빔의 높은 모드 측정 표시 이며 FEM 시뮬레이션 측정에 적용 됩니다. FEM 시뮬레이션에서 조 결과 감도 고정-고정 빔의 첫 번째 모드에 비해 최대 46 시간 향상을 제공 합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
MEMS 필터를 건물의 중요 한 단계 중 하나는 응용 프로그램 영역에 따라 장치를 디자인 하입니다. 이상 또는 대 한 얇은 빔 이어야 한다 더 나은 효율성 (ppm/mW), 하지만 짧은 또는 얇은 주파수 호핑 또는 신호 추적 응용 프로그램에 대 한 조정. 같은 방식으로, LDV 통해 명확한 신호 검출은 적어도 3-4 µ m 두께 빔 디자인 더 그래서 테스트 장치에서 중요 합니다. 그렇지 않으면 신호 시끄러운 것, 렌즈, ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 미국 육군 연구소, Adelphi, 메릴랜드, 미국, 그랜트 W91ZLK-12-P-0447 아래에 의해 지원 되었다. 공명 측정 마이클 돌과 안토니 브록의 도움으로 실시 했다. 열 카메라 측정 조지 워싱턴 대학에서 코노 버는 데이먼의 도움으로 실시 됐다.
Materials
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec | Polytec MSA-500 | |
| Scanning Electron Microscope | Zeiss | ||
| Thermal Camera | X | ||
| Power Supply | Egilent | (E3631A) | |
| Microscope | X | ||
| Coventor | Coventor | Simulation Tool | |
| Cadence Virtuoso | Cadence | Simulation Tool | |
| Multisim | Multisim | Simulation Tool |
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